碳纳米材料对水泥基复合材料的自收缩影响研究

2024-01-12罗伟

运输经理世界 2023年34期

关键词：水灰比碳纳米管纳米材料

罗伟

（九江鑫路交通工程有限责任公司，江西九江 332000）

0 引言

混凝土材料在长期使用后，容易出现自收缩开裂的现象，不仅影响使用功能，还可能对安全性产生威胁。因此，必须加强相关研究，以提高混凝土的耐久性，延长建筑的使用寿命。

为此许多研究学者提出在混凝土混合料中添加碳纳米材料并对其进行研究。相关研究表明[1-5]碳纳米材料能有效改善水泥基复合材料的性能。现有的研究已取得一定的成果，但在对多种碳纳米材料的对比研究方面还存在一些不足[6]。

1 原材料

此次试验中所用到原材料包括水泥、碳纳米材料、表面活性剂、消泡剂、减水剂和试验用水，以下对原材料进行介绍。

1.1 水泥

试验所采用水泥的强度等级为P·O42.5R，水泥的基本物理性能指标如表1 所示。

表1 水泥的基本性能指标表

从表1 中可以看出此次试验所采用的水泥满足要求。

1.2 碳纳米材料

试验所采用的多壁碳纳米管是一种管状结构的碳纳米材料，纳米碳纤维是一种中空管状结构的碳纳米材料，石墨烯是一种薄层片状的碳纳米材料，具体的物理性能指标如表2 所示。

表2 碳纳米材料的物理参数表

1.3 表面活性剂

试验所采用的表面活性剂包括阿拉伯胶、甲基纤维素和聚氧代乙烯壬基苯基醚，其中阿拉伯胶（GA）是一种淡黄色的粉末，用于多壁碳纳米管碳纳米材料；甲基纤维素（MC）外观颜色为白色，粉末状，用于纳米碳纤维碳纳米材料；聚氧代乙烯壬基苯基醚（CO890）是一种白色的蜡状固体，用于石墨烯碳纳米材料。

1.4 消泡剂

试验所采用的消泡剂为磷酸三丁酯溶液（TBP），是一种无色黏稠液体。

1.5 减水剂和试验用水

试验所采用的减水剂为聚羧酸高效减水剂（PS），为淡黄色黏稠液体；试验用水为试验室蒸馏水。

2 配合比设计

为探究不同的碳纳米材料掺量和水灰比对水泥基复合材料的自收缩影响，分别设置多组对比试验进行研究，具体的配合比设计如表3、表4 和表5 所示。

表3 多壁碳纳米管水泥基复合材料的配合比

3 试验结果分析

3.1 多壁碳纳米管水泥基复合材料自收缩结果分析

通过试验得到不同水灰比和不同多壁碳纳米管掺量的水泥基复合材料自收缩结果，如图1 所示。

图1 多壁碳纳米管水泥基复合材料的自收缩结果图

从图1（a）中可以看出，当水灰比为0.25 时，不同碳纳米材料掺量情况下试件的自收缩随着龄期的延长而增加，在第一天进行测试时，试件的自收缩值增加迅速，后随龄期的增加而缓慢增加，主要是因为水泥的水化反应为放热反应，会使材料发生热膨胀现象，但此时的自收缩大于热膨胀，从而出现自收缩突增的情况；从图1（b）和（c）中可以看出，随着龄期的延长，试件的自收缩出现先减小后增大的变化，主要是因为在刚开始时的自收缩值小于水泥水化产生的热膨胀，随后随着水化反应的进行，水泥的热膨胀现象被削弱，使试件的自收缩增大，说明当水灰比较大时，在前期能减小水泥基复合材料的自收缩；同时，可以发现当水灰比和龄期保持不变时，多壁碳纳米管掺量的增加使水泥基复合材料的自收缩呈现出先减小后增加的趋势，说明多壁碳纳米管掺量不宜过多，当掺量为0.075%时最佳[7]。

3.2 纳米碳纤维水泥基复合材料自收缩结果分析

通过试验得到不同水灰比和不同纳米碳纤维掺量的水泥基复合材料自收缩结果，如图2 所示。

图2 纳米碳纤维水泥基复合材料的自收缩结果图

从图2（a）中可以看出，当水灰比为0.25 时，不同纳米碳纤维掺量情况下试件的自收缩随着龄期的延长而增加，在第一天进行测试时，试件的自收缩值增加迅速，后随龄期的增加而缓慢增加，主要是因为水泥的水化反应为放热反应，使其材料发生热膨胀现象，而此时的自收缩大于热膨胀，从而出现自收缩突增的情况；从图2（b）和（c）中可以看出，随着龄期的延长纳米碳纤维水泥基复合材料试件的自收缩表现为先降低后增大的变化，主要是因为在刚开始时自收缩值小于水泥水化产生的热膨胀，使得自收缩下降，随后随着水化反应的进行，热膨胀现象被削弱，自收缩增大，说明当水灰比较大时，在前期能减小水泥基复合材料的自收缩；同时，可以发现当水灰比和龄期一定时，随纳米碳纤维掺量的增加水泥基复合材料的自收缩表现为先减小后增加，说明纳米碳纤维掺量不宜过多，当掺量为0.075%时最佳[8]。

3.3 石墨烯水泥基复合材料自收缩结果分析

通过试验得到不同水灰比和不同石墨烯掺量的水泥基复合材料自收缩结果，如图3 所示。

图3 石墨烯水泥基复合材料的自收缩结果图

从图3（a）中可以看出，当水灰比为0.25 时，试件的自收缩随着龄期的延长而增加，在第一天进行测试时，试件的自收缩值增加迅速，后随龄期的增加而缓慢增加，主要是因为水泥的水化反应为放热反应，使其材料发生热膨胀现象，而此时的自收缩大于热膨胀，从而出现自收缩突增的情况；当水灰比为0.30 和0.35 时，石墨烯水泥基复合材料试件的自收缩随龄期的延长出现先减小后增大的变化，主要是因为在刚开始时水泥水化产生的热膨胀大于自收缩值，使自收缩下降，随后随着水化反应的进行，热膨胀被削弱，使试件的自收缩增大，说明当水灰比较大时，在前期能减小水泥基复合材料的自收缩；同时，可以发现当水灰比和龄期一定时，随石墨烯掺量的增加水泥基复合材料的自收缩表现为先降后升，说明石墨烯掺量不宜过多，当掺量为0.075%时最佳[9]。